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Fraktale Gestaltungsprinzipien zur definierten Einstellung der interlaminaren Festigkeit von Metall-Thermoplast-Verbunden

Fachliche Zuordnung Beschichtungs- und Oberflächentechnik
Spanende und abtragende Fertigungstechnik
Förderung Förderung von 2021 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 494736555
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Zusammenhang mit dem Erreichen globaler Ziele, wie der Verringerung der Nutzung fossiler Energieträger sowie des Ausstoßes von Treibhausgasen, spielen Leichtbaukonzepte eine zentrale Rolle. Die Substitution metallischer Bauteile durch Metall-Kunststoff-Verbunde geht mit einer Reduzierung der Masse einher. Entsprechende Verbindungen unter dem Einsatz von Duroplasten sind im Luftfahrsektor etabliert. Der hohe Herstellungsaufwand steht allerdings einem breiten Einsatzbereich entgegen. Die Substitution durch Thermoplaste stellt einen geeigneten Lösungsansatz dar. Die resultierende Verbundfestigkeit kombiniert form-, stoff- sowie kraftschlüssige Anteile und beruht größtenteils auf mechanischer Verklammerung. Durch eine gezielte Bearbeitung bzw. Mikrostrukturierung des metallischen Verbundpartners sind eine Erhöhung der Verbundfestigkeit und eine Erweiterung des Einsatzspektrums möglich. Im Projekt werden die Ziele verfolgt, Algorithmen zur Bewertung definiert eingestellter Oberflächenfeingestalten anhand der fraktalen Geometrie zu formulieren sowie die Zusammenhänge zwischen dieser und der interlaminaren Festigkeit unter der Berücksichtigung chemischer Ober- bzw. Grenzflächeneigenschaften zu ermitteln. Durch die Oberflächenkonditionierung auf unterschiedlichen Skalierungsebenen sowie die Modifikation mit Organosilanen sollen die Gültigkeitsbereiche der getroffenen Annahmen identifiziert werden. Zur gezielten Steigerung der Verbindungsfestigkeit soll ein Prozess mit geometrisch bestimmten Schneiden zur definierten Einstellung der Oberflächenfeingestalt entwickelt werden. Die Herstellung definierter Oberflächenfeingestalten erfolgt zunächst mittels Laserbearbeitung. Entsprechend bearbeitete Probekörper werden u. a. zur Bestimmung der Messbedingungen für die Erfassung der Eigenschaften der Mikrostrukturen genutzt, um anschließend die fraktale Dimension bestimmen zu können. Ähnliche Probekörper werden ebenfalls für die Beschichtung mit haftvermittelnden Organosilanschichten verwendet. Auf Basis der Scherfestigkeitsuntersuchungen können eine Steigerung der Verbindungsfestigkeit mit größer werdender Strukturdichte sowie eine weitere Erhöhung durch die Beschichtung mit Organosilan nachgewiesen werden. Zur Mikrostrukturierung des metallischen Fügepartners wird das Ultrasonic vibration assisted deformational machining (UVADM) entwickelt. Unter Nutzung von FE-Simulationen erfolgt die Auslegung der Werkzeuggeometrie sowie relevanter Bereiche der Bearbeitungsparameter. In den experimentellen Untersuchungen werden die Einflüsse der Werkzeuggeometrie und der Bearbeitungsbedingungen auf die Oberflächeneigenschaften ermittelt. Die Analyse zeigt eine hohe Übereinstimmung mit den Simulationen. Zusammenhänge zwischen Oberflächenfeingestalt und Festigkeit des Metall-Kunststoff-Verbundes wurden ermittelt. Im Ergebnis der Untersuchungen hat sich gezeigt, dass die fraktale Dimension ein geeignetes Mittel zur quantitativen Bewertung der Zusammenhänge darstellt.

Link zum Abschlussbericht

https://doi.org/10.34657/19377

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